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A DFT study on the electronic structure, magnetic and optical properties of Er doped ZnO: Effect of Er concentration and native defects

兴奋剂 材料科学 带隙 费米能级 半导体 凝聚态物理 磁矩 接受者 透射率 晶格常数 密度泛函理论 光电子学 电子 化学 光学 计算化学 物理 量子力学 衍射
作者
Mohamed Achehboune,Mohammed Khenfouch,Issam Boukhoubza,Issam Derkaoui,B.M. Mothudi,Izeddine Zorkani,Anouar Jorio
出处
期刊:Computational Condensed Matter [Elsevier BV]
卷期号:31: e00627-e00627 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.cocom.2021.e00627
摘要

We report on first-principles study of the effect of Er concentration and intrinsic defects (V O and V Zn ) on the electronic structure and optical properties of Er-doped ZnO using the GGA + U method. The lattice constants and band gap of ZnO calculated in this work are in agreement with experimental values. The results showed that the band gap of Er-doped ZnO decreases with increasing Er concentration, while it increases with the presence of O or Zn vacancies. Furthermore, the existence of VO causes the formation of a deep donor level in the band gap. Er–ZnO + V Zn is a degenerate p-type semiconductor, and shallow acceptor states are created near the Fermi level. The magnetic moment of doped ZnO increases and Er 4f electrons are responsible for the induced magnetic moments. The absorption coefficient enhances in the visible range in Er doped ZnO. In the Er–ZnO + V O model, both absorption and reflection are relatively enhanced in the visible range, leading to a decrease in light transmittance. Hence, the magneto-optoelectronic properties of ZnO could be improved by an optimal concentration of Er as well as with the presence of oxygen vacancies. • Electronic structure and optical properties of ZnO doped with Er are studied using GGA + U method. • The presence of native defects (V O and V Zn ) are studied in detail. • The Er–ZnO + V Zn system is a degenerate p-type semiconductor. • The presence of oxygen vacancies in Er–ZnO increase the optical band gap. • The optoelectronic properties of ZnO can be improved by Er doping and V O concentration.
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